【国内论文】JAC丨上海理工大学团队：基于优化射频磁控溅射制备的多孔 GaN/β‑Ga₂O₃ 异质结的高性能双波段紫外光电探测器

        由上海理工大学的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 High-Performance Dual-Band Ultraviolet Photodetectors Based on Porous GaN/β-Ga₂O₃ Heterojunctions via Optimized RF Magnetron Sputtering（基于优化射频磁控溅射制备的多孔 GaN/β-Ga₂O₃ 异质结的高性能双波段紫外光电探测器）的文章。

        紫外光电探测器在环境监测、通信与军事安防领域具有重要应用价值，GaN 与 β-Ga₂O₃ 凭借合适的禁带宽度成为高性能紫外探测的核心材料。传统平面结构器件光捕获效率低、载流子分离能力弱，而现有异质结制备多依赖高温外延或热氧化工艺，易引入界面应力与缺陷，导致暗电流高、响应速度慢；同时，能够实现 UVC/UVA 双波段可调谐探测的低成本、可规模化制备方案仍然缺乏，难以满足低噪声、宽谱响应与集成化系统的实际需求。

        多孔 GaN 具有高比表面积、优异的光捕获能力与良好的光电特性，为集成 β-Ga₂O₃ 等超宽禁带氧化物、构建高性能紫外光电探测器提供了理想平台。该团队采用室温射频磁控溅射与后退火工艺制备多孔 GaN/β-Ga₂O₃ 异质结探测器，并系统优化溅射压强与射频功率以调控 β-Ga₂O₃ 薄膜微观结构。在 150 W 射频功率、0.5 Pa 压强条件下，经 900 °C 退火后获得致密均匀、结晶性提升的 β-Ga₂O₃ 薄膜。包含 500 nm 厚 β-Ga₂O₃ 层的典型异质结器件实现了 2.72 ×10⁻¹³ A 的超低零偏暗电流，在 2 V 偏压、254 nm 光照下响应度达 70 mA・W⁻¹，比探测率为 3.95 ×10¹¹ Jones，并具备 0.8/1.2 s 的快速上升 / 衰减时间。此外，该异质结器件表现出偏压可调的双波段紫外探测能力：在 254 nm 附近呈现 UVC 主导响应，在高于厚度依赖的阈值偏压后出现 365 nm 附近的 UVA 响应。该特性源于偏压调控耗尽区分布与多孔 GaN 骨架增强的载流子抽取效率。该结果证明基于磁控溅射可实现可规模化、低噪声、高灵敏度与光谱可调谐的双波段紫外探测器。

        •采用多孔 GaN 作为光捕获骨架构建高性能 β‑Ga₂O₃ 异质结光电探测器。

        •优化溅射压强与射频功率，获得致密均匀的 β‑Ga₂O₃ 薄膜。

        •优化器件实现 2.72 ×10⁻¹³ A 超低暗电流与 3.95 ×10¹¹ Jones 高探测率。

        •实现具有厚度依赖阈值偏压的偏压可调双波段紫外探测。

        •多孔结构增强光捕获与载流子分离，提升器件性能。

        该团队通过优化射频磁控溅射制备多孔 GaN/β-Ga₂O₃ 异质结，实现了高性能双波段紫外光电探测器。采用光电化学刻蚀制备出孔隙率可调的多孔 GaN 衬底，并在 20 V 刻蚀电压下获得高度互联的孔结构，有效增强光捕获能力并扩大异质结界面面积。

        该团队系统优化溅射压强与射频功率，确定最优工艺窗口为 0.5 Pa、150 W，经 900 ℃ 退火后获得致密的 β-Ga₂O₃ 薄膜。通过进一步调控 β-Ga₂O₃ 厚度，建立了厚度依赖的耗尽区分布、载流子收集与器件整体性能之间的强关联。在所制备器件中，500 nm 厚 β-Ga₂O₃ 异质结构（器件 B）在抑制漏电流与载流子抽取之间取得最优平衡，实现 2.72 × 10⁻¹³ A 的超低零偏暗电流、2 V 偏压下 254 nm 处 70 mA・W⁻¹ 的响应度、3.95 × 10¹¹ Jones 的比探测率，以及 0.8/1.2 s 的上升 / 衰减时间。

        重要的是，器件表现出偏压可调的双波段响应特性，当外加偏压超过厚度依赖的启动电压后，365 nm 附近出现可测量的 UVA 响应。双波段启动电压随 β-Ga₂O₃ 厚度增加从 80 nm 时的 2 V 升至 500 nm 时的 10 V 与 1 μm 时的 25 V。该特性源于偏压对耗尽区的调控：低偏压下有效电场主要集中在 β-Ga₂O₃ 一侧，呈现 UVC 主导响应；增大偏压则使电场增强并向多孔 GaN 扩展，可高效收集 365 nm 光照产生的载流子。多孔 GaN 骨架进一步通过增强光耦合 / 光捕获与界面载流子抽取提升性能。

        该结果表明，溅射制备的多孔 GaN/β-Ga₂O₃ 异质结为构建低噪声、高灵敏度、光谱可调的紫外探测器提供了可规模化方案，在环境监测、火焰探测与紫外光通信领域具有应用前景。

        本研究得到国家重点研发计划（Grant No. 2022YFE0107400）、上海市浦江人才计划（22PJD046）、国家自然科学基金（Grant No. 11704251）与国家留学基金委（No. 202308310199）资助。

图 1. 不同电压光电化学刻蚀 GaN 样品的俯视与截面 SEM 图：(a)-(c) 10、15、20 V 表面形貌；(d)-(f) 10、15、20 V 对应截面形貌；(g) 不同电压刻蚀多孔 GaN 的拉曼光谱；(h) 不同电压刻蚀多孔 GaN 的反射光谱。

图 2. 不同溅射压强与射频功率沉积 β‑Ga₂O₃ 的俯视 SEM 图：(a) 0.5 Pa、150 W；(b) 1.0 Pa、150 W；(c) 1.5 Pa、150 W；(d) 0.5 Pa、130 W；(e) 0.5 Pa、150 W；(f) 0.5 Pa、170 W；(g) 不同溅射压强制备多孔 GaN/β‑Ga₂O₃ 异质结的吸光度；(h) 不同射频功率制备多孔 GaN/β‑Ga₂O₃ 异质结的吸光度。

图 3. (a) 器件 A 在 365 nm、不同功率密度光照下的 I-V 特性（200–600 μW・cm⁻²）；(b) 器件 B 在暗态、254 nm（200 μW・cm⁻²）与 365 nm（600 μW・cm⁻²）光照下的 I-V 特性；(c) 器件 C 在暗态、254 nm（200 μW・cm⁻²）与 365 nm（600 μW・cm⁻²）光照下的 I-V 特性。

图 4. 不同偏压下测得的 (a) 器件 A、(b) 器件 B、(c) 器件 C 与 (d) 平面 GaN/β‑Ga₂O₃ 器件的光谱响应度。以 365 nm 处可测响应出现定义双波段启动电压。

图 5. 5 V 偏压下不同光照波长的 I-t 特性：(a) 器件 A 在 254 nm（200–600 μW・cm⁻²）；(b) 器件 A 在 365 nm（200–600 μW・cm⁻²）；(c) 器件 B 在 254 nm（暗态与 200–800 μW・cm⁻²）；(d) 器件 B 在 365 nm（暗态与 200–800 μW・cm⁻²）；(e) 器件 C 在 254 nm（暗态与 200–800 μW・cm⁻²）；(f) 器件 C 在 365 nm（暗态与 200–800 μW・cm⁻²）。

图 6. (a) 顶部光照下含 Pt 电极的多孔 GaN/β‑Ga₂O₃ 异质结紫外探测器结构示意图；(b) 多孔 GaN/β‑Ga₂O₃ 异质结界面能带弯曲与载流子分离机制示意图；(c) 器件 A–C 的偏压依赖能带示意图，展示耗尽区调控与高偏压下 365 nm（UVA）响应激活；(d) 器件 C 简化低偏压能带结构，突出有效耗尽区主要限制在厚 β‑Ga₂O₃ 层内，呈现 UVC 主导响应。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.188370